Teoria das cordas: cientistas estão tentando novas maneiras de verificar a ideia que pode unificar toda a física

Em 1980, Stephen Hawking deu sua primeira palestra como Professor Lucasiano na Universidade de Cambridge. A palestra se chamava “Existe um fim à vista para a física teórica?”

Hawking, que mais tarde se tornou meu orientador de doutorado, previu que uma teoria de tudo – unindo os ramos conflitantes da relatividade geral, que descreve o universo em grandes escalas, e a mecânica quântica, que rege o microcosmo dos átomos e partículas – poderia ser descoberta até o final do século 20.

Quarenta e cinco anos depois, ainda não existe uma teoria definitiva de tudo. A principal candidata é a teoria das cordas, uma estrutura que descreve todas as forças e partículas, incluindo a gravidade. A teoria das cordas propõe que os blocos fundamentais da natureza não são partículas pontuais como quarks (que formam as partículas do núcleo atômico), mas cordas vibrantes.

Ela sugere que, se pudéssemos olhar profundamente dentro de elétrons, veríamos pequenos laços de cordas vibrando, exatamente como as cordas de um violino. Padrões diferentes de vibração correspondem a partículas diferentes.

A teoria das cordas unifica todas as forças da natureza. Forças que parecem muito diferentes, como gravidade e eletricidade, estão profundamente relacionadas entre si. As forças são conectadas por chamadas dualidades: os mesmos fenômenos fundamentais podem ser descritos de maneiras diferentes.

A força da gravidade é descrita em termos de geometria, formas e posições. Outras forças são descritas com conceitos matemáticos diferentes, incluindo álgebra e números.

A unificação das forças implica, portanto, relações profundas entre ramos da matemática. Tais relações já haviam sido propostas por matemáticos, especialmente Robert Langlands, e a teoria das cordas fornece explicações físicas para essas conexões.

Embora a teoria das cordas possa ser a teoria correta de tudo, é difícil testá-la experimentalmente. Seus efeitos tornam-se visíveis em escalas muito pequenas e energias extremamente altas.

Aceleradores de partículas exploram a estrutura interna das partículas por meio de colisões que as fragmentam. No entanto, mesmo os maiores colisionadores do CERN, na Suíça, não possuem energia suficiente para quebrar partículas em cordas.

Pistas no cosmos

Como testar experimentalmente a teoria das cordas se não conseguimos atingir energias suficientemente altas em aceleradores? A resposta pode estar nos céus.

O universo primordial era denso e quente, e a “sopa” primordial teria sido formada por cordas. Podemos ver a história do universo impressa nas observações atuais, desde levantamentos de galáxias até medições da radiação cósmica que permeia todo o espaço e é um resquício do big bang.

No início do século 20, o astrônomo Edwin Hubble mostrou que o universo está se expandindo. As galáxias estão se afastando umas das outras.

No final daquele século, observações detalhadas da expansão mostraram que ela está, na verdade, acelerando. As galáxias hoje se afastam mais rapidamente do que há um milhão de anos.

O que está impulsionando essa aceleração? A gravidade é uma força atrativa, portanto ela desacelera a expansão do universo. A aceleração é impulsionada por um novo tipo de energia, espalhada por todo o espaço. Os cientistas chamam isso de energia escura, e ela compõe cerca de 70% da energia do universo.

Não sabemos exatamente o que é a energia escura. A explicação mais plausível é que seja a energia quântica inerente ao universo. No mundo quântico, partículas nunca ficam completamente paradas, sem energia. Há sempre um pouco de oscilação quântica e energia associada.

Átomos resfriados a zero absoluto ainda possuem energia devido ao seu movimento quântico. A energia escura poderia ser explicada como sendo a energia quântica fundamental de todas as forças e partículas da natureza, incluindo a gravidade.

Experimentos estão restringindo as propriedades da energia escura. O Desi é um observatório baseado no Arizona, EUA, que está mapeando galáxias e quasares. Os telescópios espaciais Euclid e Roman medirã o universo com detalhes inéditos, mapeando a história de bilhões de galáxias ao longo de bilhões de anos.

Resultados recentes do Desi sugerem que a energia escura está mudando ao longo do tempo de um modo consistente com modelos da teoria das cordas – embora isso ainda precise ser verificado por medições adicionais.

Isso não prova a teoria das cordas, pois ela pode produzir uma variedade de universos diferentes, com padrões distintos de energia escura. No entanto, os resultados do Desi sugerem que interpretar a energia escura como energia quântica das cordas pode ser o caminho certo. Claro, existem outros fenômenos além das cordas que poderiam explicar essa mudança.

Euclid e Roman farão medições extremamente precisas e serão capazes de descartar muitas teorias alternativas de energia escura e algumas versões específicas da teoria das cordas – ajudando a estreitar o campo de possibilidades.

Outra forma de verificar a teoria das cordas pode ser por meio dos buracos negros. Uma vez que algo cai em um buraco negro, não pode escapar. Dentro dele, as forças são intensas e partículas são despedaçadas. Ainda não entendemos completamente o que ocorre dentro de um buraco negro, mas a teoria das cordas nos ensina como um buraco negro retém informações sobre o que caiu lá dentro.

Isso porque a teoria das cordas assume que não existe uma “singularidade” dentro do buraco negro – um ponto de densidade e gravidade infinitas – mas sim que os objetos são espalhados como bolas de cordas chamadas fuzzballs.

Medições futuras, mais precisas, de ondas gravitacionais (ondulações no tecido do espaço-tempo) buscarão sinais sutis do comportamento quântico dentro dos buracos negros previstos pela teoria das cordas. Se buracos negros são fuzzballs, eles devem produzir sinais diferentes ao se fundirem, mais longos e com ecos. Além disso, se dimensões extras existirem, como propõe a teoria das cordas, buracos negros podem oscilar de modos diferentes que também poderíamos detectar.

Além das medições cosmológicas, cientistas podem conduzir experimentos mentais, assim como Einstein fez ao desenvolver suas teorias da relatividade. A teoria das cordas gerou novos insights não apenas na matemática, mas em outras áreas da ciência. Por exemplo, ela tem se mostrado útil para entender como sistemas quânticos podem ser usados em computação.

Não acredito que uma compreensão completa de uma teoria de tudo esteja próxima, mas nos 45 anos desde a palestra lucasiana de Hawking certamente aprendemos muito. E, no momento, as perspectivas são positivas para a teoria das cordas.

Marika Taylor, University of Birmingham

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.